Vývoj chirurgických nástrojov možno opísať ako epos. Od starovekej barbarskej éry cez éru medi a železa až po rozšírenú aplikáciu špičkových technológií, ako sú vysokofrekvenčné elektrické nože, ultrazvukové nože, laserové nože a protónové nože dnes, každá zmena podporovala veľký pokrok v chirurgii. Rýchlosť tohto vývoja je úchvatná.
Medzi mnohými chirurgickými nástrojmi vynikajú ultrazvukové skalpely s ich jedinečnými výhodami. Má nielen viac funkcií, ako je rezanie, hemostáza, separácia a trakcia, ale tiež sa vysoko ocenia za jeho charakteristiky, ako je rýchle rezanie, menej krvácanie a menej dymu. V chirurgii je to ako rytier v brnení, ktorý mávne v ruke meč, aby pacientom eradikátoval bolesť.
Ďalej budeme podrobne preskúmať pracovný princíp, klinické uplatňovanie, štruktúru produktu a technické ťažkosti ultrazvukových skalpelov, ako aj technologické inovácie a budúce smery vývoja. Dúfam, že prostredníctvom tohto špeciálneho výskumu môžeme mať komplexnejšie porozumenie kúzlu ultrazvukových skalpelov a ich nevyhnutnej pozície v chirurgii.
V roku 1967 Dr. Kelman vyvinul prvé ultrazvukové emulgačné zariadenie na svete s inováciou ultrazvukovej energie. Tento prielomový vynález poskytuje silnú podporu pre liečbu prasknutia a emulgácie očných šošoviek. S príchodom osemdesiatych rokov sa aplikačná oblasť ultrazvukových skalpelov postupne rozširovala do plastického priemyslu. V roku 1992 boli dvaja americkí klinickí odborníci dosť odvážni na to, aby inovovali a prevzali vedenie pri zavádzaní ultrazvukových produktov ultrazvukového skalpelu do laparoskopickej chirurgie, čím sa otvorili širšia vyhliadka na trhu pre ultrazvukové skalpely v oblasti chirurgických operácií. Aby sa uspokojili rôzne klinické potreby, objavili sa rôzne formy ultrazvukových produktov skalpelu, ako sú ultrazvukové skalpely mäkkých tkanív, ultrazvukové kostné skalpely a ultrazvukové sacie skalpely s ultrazvukou emulgácie. Tento článok sa zameria na zavedenie chirurgických ultrazvukových skalpelov s mäkkým tkanivom (skrátene ako „ultrazvukové skalpely“).
1.1 Princíp premeny energie
Hlavnou funkciou ultrazvukového zdroja napájania je efektívne premeniť konvenčné elektrické signály AC na ultrazvukové frekvenčné elektrické signály ako základ pre energetický výstup. V tomto procese konverzie zohráva dôležitú úlohu ultrazvukový prevodník. Nachádza sa v ultrazvukovej vibračnej jednotke a môže ďalej previesť ultrazvukové frekvenčné elektrické signály na vysokofrekvenčné mechanické vibrácie. Následne prostredníctvom zosilnenia ultrazvukového rohu môže hlava čepele výstupné mechanické vibrácie ultrazvukovej frekvencie so špecifickou amplitúdou. Táto vibrácia je kľúčom k efektívnemu rezaniu a koagulácii ultrazvukového noža.
1.2 Princíp rezania a koagulácie
Hlava ultrazvukovej čepele vibruje pri špecifickej frekvencii. Keď príde do kontaktu s tkanivovými bunkami, tekutina v bunkách sa odparuje, čo spôsobuje, že proteínové vodíkové väzby sa rozbijú, čo spôsobuje rozpad bunky a opätovné potápanie. Následne je tkanivo rezané v koagulovanom stave. V procese rezania krvných ciev mechanická vibrácia ultrazvukovej čepele interaguje s tkanivovými proteínmi, aby sa vytvorila teplo, čím zničila kolagénovú štruktúru v tkanive, dosiahla koaguláciu proteínov a uzavretie krvných ciev a dosiahnutie účelu hemostázy.
(1) Mechanický účinok
Pri pôsobení ultrazvuku s miernou intenzitou zvuku vytvára tkanivo elastické vibrácie. Keď sa intenzita zvuku zvyšuje, keď mechanické vibrácie tkaniva presahujú jeho elastický limit, zlomí sa alebo rozdrví. Pri rezaní mäkkého tkaniva je minimálna amplitúda požadovaná chirurgickou hlavou čepele 40 μm, zatiaľ čo pri osteotómii musí hlava čepele výstupovať viac ako 100 μm amplitúdu.
(2) tepelný účinok
Teplo je kľúčovým faktorom pri dosahovaní koagulácie tkaniva a hemostázy. To zahŕňa viskoelastickú tepelnú energiu vo vnútri tkaniva a teplo generované trením medzi čepeľou a tkanivom.
(3) kavitačný efekt
Kavitačné bubliny vytvárajú vysoký teplotu a vysoký tlak vo veľmi krátkom čase, pričom uvoľňujú silné nárazové vlny a trysky, ktoré emulgujú a fragmentujú tkanivo. Keď sa vysokofrekvenčný vibračný koniec ultrazvukového noža umiestni na mäkké tkanivá, ako je tukové tkanivo a alveolárne tkanivo, teplota vo vnútri mäkkých tkanivových buniek okolo čepele sa výrazne zvýši. Akonáhle teplota dosiahne bod varu vody v bunke, voda v bunke sa odparuje a zvýši objem, čo spôsobí prasknutie bunky. Veľké množstvo plynu uvoľneného po prasknutí buniek pomáha rozširovať tkanivovú vrstvu, ktorá uľahčuje chirurgickú operáciu pod koncepciou „membránovej anatómie“ moderných orgánov.
1.3 Porovnanie rôznych typov skalpelov
Počas operácie je rozhodujúce zvoliť si pravý skalpel. Ďalej porovnáme rôzne typy skalpelov, vrátane tradičných skalpelov, laserových nožov, mikrovlnných nožov a ultrazvukových nožov, ktoré vám pomôžu lepšie porozumieť ich výhodám a nevýhodám.
Z hľadiska klinickej aplikácie sa ultrazvukové skalpely dobre fungujú pri rezaní mäkkých tkanív, najmä v chirurgických scenároch, ktoré si vyžadujú presnú kontrolu krvácania a minimalizované tepelné poškodenie. Často sa používa na zatváranie krvných ciev s priemerom 3 mm alebo menej a niekedy dokonca dokáže zvládnuť krvné cievy s priemerom 5 mm alebo menej. Avšak v prípade krvných ciev s priemerom 5 mm alebo viac lekári zvyčajne používajú veľké uzatváranie ciev, ligácie alebo ligácie. Okrem toho sú ultrazvukové skalpely nielen vhodné na otvorenú operáciu, ale tiež sa používajú aj pri laparoskopickej chirurgii a zohrávajú dôležitú úlohu pri rôznych operáciách vo viacerých oddeleniach, ako je všeobecná chirurgia, gynekológia, urologia, hrudná chirurgia, chirurgia hlavy a krku.
Bežné chirurgické ultrazvukové výrobky skalpelu vo všeobecnosti zahŕňajú hostiteľ a rôzne príslušenstvo. Medzi týmito príslušenstvom je prevodník kľúčovou súčasťou, ktorá je zodpovedná za premenu elektrickej energie na ultrazvukovú energiu. Ultrazvuková hlava skalpelu, ako časť, ktorá priamo dotýka tkaniva, jeho konštrukcia pokrýva kľúčové komponenty, ako je rukoväť, vlnová tyč a kanyla. Okrem toho prepínač chodidla a manuálne ovládacie zariadenie na hlave skalpelu spolupracujú na dosiahnutí presnej kontroly výstupnej energie hostiteľa.
Rôzne rukoväte ultrazvukovej hlavy skalpelu zahŕňajú typ svorky, typ uchopenia a typ nožnice.
Štandardná dĺžka ultrazvukovej nožovej tyče je zvyčajne 23 cm, 36 cm alebo 45 cm. Špička čepele má navyše rôzne morfologické štruktúry, ako sú viacúčelové nožnice, zakrivené viacúčelové nožnice, zakrivené stripovacie nože, separačné háčiky a hemostatické gule. Lekári si môžu flexibilne zvoliť vhodnú rukoväť, dĺžku čepele a tvar čepele podľa špecifických potrieb operácie, aby sa prispôsobili rôznym typom operácií a skupinám pacientov, ako sú obézni pacienti, konvenčná laparoskopická chirurgia, laparotómia a povrchová operácia.
3.1 ultrazvukový generátor (hostiteľ)
Ultrazvukový generátor, známy tiež ako ultrazvukový napájací zdroj, je zariadenie špeciálne navrhnuté na generovanie a prenos ultrazvukových frekvenčných elektrických signálov do ultrazvukového prevodu. Podľa svojho pracovného princípu možno ultrazvukové generátory rozdeliť do dvoch kategórií: analógové obvody a digitálne obvody. V súčasnosti majú ultrazvukové generátory digitálneho obvodu dominantné postavenie v praktických aplikáciách kvôli svojej vynikajúcej účinnosti konverzie energie.
Ako základná súčasť ultrazvukového systému, výkon ultrazvukového generátora priamo ovplyvňuje prevádzkový efekt celého systému. Podľa rôznych pracovných princípov je možné ultrazvukové generátory rozdeliť do dvoch kategórií: analógové obvody a digitálne obvody. Na dnešnom trhu sa digitálne ultrazvukové generátory digitálneho obvodu stali bežným výberom kvôli svojej vynikajúcej efektívnosti a stabilite konverzie energie.
Medzi hlavné hardvérové moduly ultrazvukových generátorov digitálneho obvodu patria generátory signálu, obvody zosilňovača napájania, obvody zodpovedajúcich impedancie a obvody spätnej väzby. Počas prevádzky ultrazvukového prevodníka dôjde nevyhnutne zmeny impedancie, čo zahŕňa dynamické úpravu veľkosti impedancie a rezonančnej frekvencie. Aby sa zabezpečilo, že zaťaženie môže získať maximálny výkon, impedancia napájania musí byť v súlade s impedanciou zaťaženia. Preto musí mať ultrazvukový zdroj napájania schopnosť sledovať prevádzkovú frekvenciu ultrazvukového prevodníka a podľa toho vypracovať výkonný signál zodpovedajúcej frekvencie.
(2) Technické výzvy - adaptácia tkanív
Počas operácie sa zaťaženie zaťaženia a koagulovaného tkaniva zaťaženia dynamicky zmení, čo spôsobí zmenu prevádzkovej frekvencie a výstupnej amplitúdy ultrazvukového prevodu. Ak zdroj napájania nedokáže sledovať frekvenciu v čase na dosiahnutie rezonančného stavu, účinnosť konverzie energie prevodníka sa výrazne zníži, čo spôsobí, že sa prevodník prehrieva, čím ovplyvní účinnosť operácie. Nesprávne riadenie výstupného výkonu ultrazvukového zdroja napájania tiež predĺži čas potrebný na ultrazvukový skalpel na rezanie tkaniva a zníženie hemostázového účinku. Preto je technológia riadenia automatického sledovania frekvencie ultrazvukového zdroja energie rozhodujúca pre udržanie svojej stability.
Prispôsobenie tkanív, to znamená, že výstupné zmeny s impedanciou zaťaženia sú základnou technológiou hostiteľa ultrazvukového napájacieho zdroja. Ako príklad, ktorý vezme ultrazvukový nôž spoločnosti Johnson & Johnson, jeho hostiteľský systém prijíma režim rezu a hemostázy s jedným tlačidlom, ktorý dokáže automaticky prevádzkovať rôzne tkanivá jedným tlačidlom bez potreby polohy prevodov. Po stlačení tlačidla bude systém v priebehu času vydať tri energetické segmenty „vysokých nízkych“. Metóda riadenia výstupu každého segmentu energie je iná a bude inteligentne upravená podľa impedancie zaťaženia zozbieranej v reálnom čase. Táto technológia môže poskytovať energetickú podporu neustále, inteligentne a efektívne.
Po dlhodobom akumulácii a optimalizácii klinických údajov ukázalo ultrazvukový nôž Johnson & Johnson lepší výkon ako domáce značky.
3.2 ultrazvukový prevodník
Ultrazvukový prevodník, ako jadro jednotky ultrazvukovej vibrácie, je zodpovedný za efektívne premenu elektrickej energie ultrazvukovej frekvencie na vysokofrekvenčnú mechanickú energiu. Tento proces ďalej zosilňuje amplitúdu a zhromažďuje energiu cez amplitúdovú tyč a nakoniec presne prenáša energiu do hlavy noža. V súčasnosti možno hlavné ultrazvukové prevodníky na trhu rozdeliť do dvoch kategórií: piezoelektrické prevodníky a magnetostriktívne prevody.
S popularizáciou piezoelektrických keramických materiálov boli magnetostriktívne prevodníky postupne nahradené piezoelektrickými ultrazvukovými prevodníkmi a stále sa používajú iba v niektorých špeciálnych poliach. V súčasnosti sa piezoelektrické prevodníky stali hlavným výberom na trhu. Ďalej budeme podrobne preskúmať základné princípy a štruktúry piezoelektrických prevodníkov.
(1) Pracovný princíp piezoelektrických prevodníkov - piezoelektrický účinok
Ak sú piezoelektrické materiály deformované mechanickým stresom, špeciálne usporiadanie atómov v ich mriežke povedie k vzniku polarizácie, čím sa vytvorí merateľný potenciálny rozdiel v celom materiáli, ktorý sa nazýva pozitívny piezoelektrický účinok. Naopak, ak sa napätie aplikuje na povrch piezoelektrického materiálu, materiál bude deformovaný elektrickým poľom, ktoré sa nazýva inverzný piezoelektrický účinok. Veľkosť a smer deformácie závisia od smeru elektrického poľa, smeru polarizácie materiálu a metódy pripojenia so susednou štruktúrou. To znamená, že piezoelektrické materiály majú funkciu premeny mechanickej energie na elektrickú energiu a premenu elektrickej energie späť na mechanickú energiu. V ultrazvukových skalpeloch táto charakteristika umožňuje piezoelektrickým kryštálom účinne premeniť elektrickú energiu na mechanickú energiu prostredníctvom inverzného piezoelektrického účinku.
(2) Štrukturálna analýza piezoelektrických prevodníkov
Ďalej budeme ďalej porozumieť vnútornej štruktúre piezoelektrických prevodníkov.
Ako príklad, ktorý vezme sendvičový piezoelektrický keramický ultrazvukový prevodník, patrí jeho základné komponenty piezoelektrické keramické listy, kovový predný kryt, kovový zadný kryt, kovové elektródové listy a predpäté skrutky. Pokiaľ ide o dizajn, predný kryt je zvyčajne vyrobený z ľahkého kovu, aby sa zlepšila účinnosť prenosu vpred ultrazvukových vĺn, zatiaľ čo zadný kryt je vyrobený z ťažkých kovov, aby sa zabezpečila stabilita prevodníka.
(3) piezoelektrické materiály
Piezoelektrické materiály možno rozdeliť do dvoch kategórií: anorganické piezoelektrické materiály a organické piezoelektrické materiály. Medzi nimi sú anorganické piezoelektrické materiály ďalej rozdelené do piezoelektrických kryštálov (ako sú piezoelektrické jednokryštály) a piezoelektrická keramika (syntetické materiály). Piezoelektrická keramika má vynikajúce mechanické vlastnosti, chemickú zotrvačnosť a jednoduchú výrobu. Môžu byť flexibilne vyrobené do rôznych tvarov a veľkostí a smer polarizácie je možné voľne zvoliť, čo z nich robí ideálnu voľbu pre výrobu prevodníkov. Z tohto dôvodu sa v oblasti prevodníkov široko používa piezoelektrická keramika.
Medzi hlavné suroviny na výrobu piezoelektrickej keramiky patrí titanitát bária, titanamát zirkonátu olovnatého a lítium niobate. Tieto materiály vykazujú vyššiu kapacitu výroby energie ako mnoho prírodných materiálov. Medzi nimi je olovo zirkonátový titanat (PZT) najbežnejšie používaná surovina pri výrobe piezoelektrickej keramiky. Je syntetizovaný z olova a zirkónia pri vysokej teplote. Výrobcovia komerčných ultrazvukových nožov, ako napríklad Johnson & Johnson, zvyčajne používajú piezoelektrickú keramiku PZT-8. Rôzne spoločnosti si však vyberú materiály P8 s rôznymi výkonnostnými parametrami (ako je relatívna dielektrická konštanta, dielektrická strata a elektromechanický koeficient spojenia) podľa charakteristík ich vlastných prevodníkov.
(4) Technické výzvy
Rýchlosť rezania a koagulácie ultrazvukových nožov je ovplyvnená mnohými faktormi, vrátane elektroakustickej konverznej účinnosti prevodníka, mechanickej straty a účinnosti prenosu ultrazvukového vlnovodu a výstupnej stability systému ultrazvukového noža. Kľúčom k optimalizácii mechanického systému ultrazvukového noža je zlepšenie základných indikátorov prevodníka a zabezpečenie toho, aby sa ultrazvuková energia mohla efektívne a stabilne prenášať na špičku čepele. V tomto procese zohrávajú dôležitú úlohu vysokovýkonné piezoelektrické keramické materiály.
Vysokokvalitné piezoelektrické keramické materiály by mali mať vysoký faktor mechanickej kvality, vysoký piezoelektrický koeficient, vysoký elektromechanický koeficient spojenia, nízku dielektrickú stratu a stabilný výkon (ako je teplota a stabilita frekvencie). Prostredníctvom modifikácie dopingu je možné dosiahnuť viaczložkový vývoj a optimalizáciu procesu prípravy keramických materiálov, je možné dosiahnuť jemnú kontrolu vlastností materiálu. V súčasnosti sa väčšina výrobcov rozhodne kúpiť piezoelektrickú keramiku od výrobcov proti prúdu doma iv zahraničí, ale niektorí výrobcovia majú tiež schopnosť rozvíjať svoj vlastný výskum.
3,3 amplitúdový transformátor
V ultrazvukovom vibračnom systéme hrá amplitúdový transformátor dôležitú úlohu. Pretože amplitúda vibrácií generovaná vyžarujúcim povrchom ultrazvukového prevodníka je malá, zvyčajne pri prevádzkovej frekvencii 20 kHz, jej amplitúda je iba niekoľko mikrónov, čo nie je ani zďaleka dostatočne dostatočné na splnenie skutočných potrieb. Preto sa zavádza amplitúdový transformátor, ktorý môže účinne zosilniť posunutie a pohyb pohybových častíc mechanických vibračných častíc, koncentrovať ultrazvukovú energiu v malej oblasti, a tak dosiahnuť efekt zhromažďovania energie. Okrem toho amplitúdový transformátor tiež pôsobí ako mechanický impedančný transformátor, ktorý zodpovedá impedancii medzi prevodníkom a zaťažením, aby sa zabezpečilo, že ultrazvuková energia sa môže efektívne prenášať z prevodníka do konca zaťaženia.
3.4 ultrazvuková hlava skalpelu
Ultrazvuková hlava skalpelu, kľúčová zložka, pozostáva z presných komponentov, ako je rukoväť, vlnová tyč (tj drieka) a rukávy. Medzi nimi je stopka jadrom hlavy skalpelu a jej výber materiálu a úroveň procesu priamo súvisia s rizikom rozbitia skalpelu. V súčasnosti sú zliatiny titánu uprednostňované pre svoju nízku akustickú impedanciu, vysokú pevnosť v ťahu a ľahkú hmotnosť a TC4 (TI-6AL-4V) zliatiny je medzi nimi najlepšia. Zliatina titánu TC4 má nielen výhody z zliatiny titánu - vynikajúcu plasticitu a tepelnú pevnosť, ale môže tiež dlho pracovať pri 400 stupňoch a má vynikajúcu odolnosť proti korózii morskej vody. Okrem toho je jeho výrobný proces jednoduchý a môže byť posilnený zváraním, formovaním teplých a chladom, ochladením a starnutím, čím sa stávka robí silnou a odolnou. Vysoké náklady na dovážané materiály zliatiny titánu sú však stále výzvou a výrobcovia aktívne hľadajú domáce alternatívy na zníženie výrobných nákladov.
4.1 Kľúčové ukazovatele výkonnosti
V klinických aplikáciách sa rozsiahla pozornosť venovala ukazovateľom výkonnosti ultrazvukových skalpelov. Tieto ukazovatele pokrývajú aspekty, ako je účinok vaskulárneho uzatvárania, účinnosť uzáveru rezania, rozsah tepelného poškodenia, jemné rezanie a separačná schopnosť, upínacia sila a anti-adhézia. Medzi nimi sa účinnosť rezania a účinok vaskulárneho uzavretia považuje za najdôležitejšie ukazovatele, ktoré priamo ovplyvňujú chirurgický účinok a bezpečnosť. Zároveň poskytujú priemyselné normy a príslušné usmernenia jasné metódy a normy hodnotenia pre tieto ukazovatele výkonnosti.
4.2 Bežné klinické problémy
V klinických aplikáciách sme zistili, že ultrazvukové výrobky skalpelu na trhu majú vo všeobecnosti tieto problémy: po prvé, koagulačný efekt nie je často ideálny; Po druhé, mäkké tkanivo pri rezaní sa ľahko poškodí teplom, čo vedie k zatvoreniu normálneho zatvorenia, zlyhania zlyhania alebo rozbitia čepele; Okrem toho existuje riziko, že v tele sa môže ponechať cudzie látky, ako je napríklad odkladanie tkanivových podložiek alebo vnútorné komponenty vylučovania výrobkov. Tieto problémy sa vyskytujú z rôznych dôvodov, ktoré sa zvyčajne týkajú koordinovanej práce viacerých zložiek ultrazvukového systému skalpelu. Okrem nesprávnej klinickej prevádzky môžu technické alebo procesné defekty akejkoľvek zložky ovplyvniť celkový výkon ultrazvukového skalpelu.
V klinických aplikáciách často čelíme nasledujúcim rizikám podaným produktmi ultrazvukového skalpelu: po prvé, v dôsledku slabého koagulačného účinku môže dôjsť k pooperačnému krvácaniu; Po druhé, mäkké tkanivo pri rezoch nemusí byť schopné normálne zavrieť v dôsledku tepelného poškodenia, čo môže viesť k závažným dôsledkom, ako je zlyhanie rezania alebo zlomenie čepele; Okrem toho existuje potenciálne riziko, že v tele sa môže ponechať cudzie hmoty, napríklad oddelenie tkanivovej podložky alebo
V klinických aplikáciách často čelíme nasledujúcim rizikám podaným produktmi ultrazvukového skalpelu: po prvé, v dôsledku slabého koagulačného účinku môže dôjsť k pooperačnému krvácaniu; Po druhé, mäkké tkanivo pri rezoch sa nemusí normálne uzavrieť v dôsledku tepelného poškodenia, čo môže viesť k závažným dôsledkom, ako je zlyhanie rezania alebo zlomená skalpel; Okrem toho existuje potenciálne riziko, že v tele sa môže ponechať cudzie hmoty, ako napríklad tkanivové vankúšiky, ktoré padajú alebo vnútorné zložky produktu padajú. Existencia týchto rizík ovplyvňuje nielen účinok klinického aplikácie ultrazvukových skalpelov, ale môže tiež ohroziť bezpečnosť pacientov.
Preto v klinických operáciách musíme byť obzvlášť ostražití v súvislosti s týmito rizikami a prijať zodpovedajúce preventívne opatrenia, aby sme zaistili bezpečnosť pacientov a hladký pokrok operácie.
